Seismische Risikoanalysen in Zentralasien

Global Change-Observatorium Zentralasien
Seismische Risikoanalysen in Zentralasien
Stefano Parolai, Angelo Strollo, Dino Bindi, Claus Milkereit, Matteo Picozzi, Domenico Di Giacomo, Marc Wieland,
Massimiliano Pittore, Morgan Mayfield, Huyan Liu, Marco Pilz und Jochen Zschau
Deutsches GeoForschungsZentrum GFZ, Potsdam
Central Asia was identified as one of the regions of the world with the highest seismic hazard and risk. However, the actual
lack and heterogeneity of available seismological and vulnerability data make any possible seismic risk scenario highly uncertain. In order to improve seismic risk assessment in Central Asia efforts must be carried out to both increase the seismological
knowledge in the area and to update and harmonise the existing vulnerability data set in the different countries. To this regard,
within the Central Asia Cross-Border Natural Disaster Prevention (CASCADE) project, financed by the German Federal Foreign
Office, a cross-border seismological and strong motion network in Central Asia (CAREMON) was installed. Microzonation studies in the capitals of Kyrgyzstan and Uzbekistan were started, and those for Kazakhstan, Tajikistan and Turkmenistan were triggered. The collection of a harmonised (in terms of the European Macroseismic Scale EMS) building vulnerability data base was
also achieved, and a capacity building and training program accompanied all the different tasks of the project. All these activities were carried out within the framework of, and supported by, the Global Change Observatory Central Asia (GCO-CA). The
digital data collected by the CAREMON network will allow to improve localisation of the seismicity in the area and to improve
completeness of earthquake catalogues necessary for sounded seismic hazard assessment at regional scale. The results of the
microzonation will be exploited for improving the seismic hazard and risk assessment in the capitals. Attempts were already
carried out for Bishkek. Follow-up activities, including the establishment of a vertical array of accelerometer in Bishkek, are
foreseen for further improving seismic hazard and risk analysis in Central Asia.
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Erdbeben und Bausubstanz:
Zentralasiens hohe Vulnerabilität
Nach Ergebnissen des Global Seismic Hazard AssessmentProgramms (GSHAP, Zhang et al., 1999) zählt Zentralasien
zu den Regionen mit der höchsten seismischen Gefährdung
weltweit. Die Untersuchung des städtischen Erdbebenrisikos der beiden zentralasiatischen Städte Bischkek, Kirgistan
(865 500 Einwohner im Jahre 2009) und Taschkent, Usbekistan
(2 180 000 Einwohner im Jahre 2008) war Inhalt eines NATO
Science for Peace-Projekts im Jahr 2001 (Erdik et al., 2005). Im
Rahmen dieses Vorhabens wurde die seismische Gefährdung
der beiden Städte bewertet, Standorteffekte bestimmt, die
Gebäudevulnerabilität quantifiziert und aus diesen Daten das
städtische Erdbebenrisiko berechnet. Das Projekt ermittelte
eine erwartete Anzahl von bis zu 34 000 Toten in Bischkek
bei einer Spitzenbodenbeschleunigung mit der Wahrscheinlichkeit von 2 % des Auftretens in 50 Jahren. Zudem würden
etwa 90 000 Verletzte erwartet, die im Krankenhaus behandelt
werden müssten. Darüber hinaus kann ein starkes Erdbeben in
der Nähe einer Großstadt auch hohe Schäden an Wirtschaftsstandorten sowie Verkehrs- und Infrastruktureinrichtungen
verursachen.
Aus diesen Gründen ist es wichtig, lokale Behörden und
Entscheidungsträger über die zu erwartenden Konsequenzen
eines großen Erdbebens zu informieren. Ein solcher Wissenstransfer kann das Ausmaß der Folgen eines Erdbebens,
wie Material- und Personenschäden, Sekundärgefahren wie
Erdrutsche, die ihrerseits industrielle, chemische oder nukleare Einrichtungen und Orte von Bedeutung für die nationale
Sicherheit betreffen können, verringern. Für eine zielgerichtete
Beratung lokaler Akteure müssen seismische Gefahrenabschätzungen für die Region optimiert und zudem realistische
Erdbebenrisikoszenarien berechnet werden.
Dazu ist es notwendig, die Gefahrenabschätzung erst nach
vorheriger Kalibrierung der benötigten empirischen Gleichungen zur Bodenbewegung mit vor Ort aufgenommenen
Daten durchzuführen. Zuvor sollten zudem auch die Eigenschaften oberflächennaher Gesteinsschichten und Böden
bezüglich ihres Einflusses auf die Veränderung der Bodenbewegung im Fall eines Erdbebens berücksichtigt werden.
Verlässliche Erdbebenrisikoabschätzungen sollten ferner
auf hochwertigen und aktuellen Daten zur Gebäudevulnerabilität beruhen.
Kontakt: Stefano Parolai
([email protected])
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CASCADE-Projekt
Das durch das deutsche Auswärtige Amt finanzierte und vom
GFZ geleitete CASCADE-Projekt (Central Asia Cross-Border
Natural Disaster Prevention) verfolgte daher das Ziel, im
seismisch stark gefährdeten Zentralasien ein grenzübergreifendes seismologisches und Starkbeben-Netzwerk für
Untersuchungen zur Mikrozonierung in den Hauptstädten
Kirgistans und Usbekistans zu etablieren und damit die
Vorausstetzungen für die erforderlichen Untersuchungen in
Kasachstan, Tajikistan und Turkmenistan zu schaffen. Auch
eine harmonisierte Datenbank der Gebäudevulnerabilität (in
Bezug auf die Europäische Makroseismische Skala EMS) wurde aufgebaut. Weitere Ziele des Projekts waren Maßnahmen
zur Personal- und Organisationsentwicklung vor Ort und ein
Trainingsprogramm. Die Aktivitäten wurden im Rahmen des
Global Change-Observatoriums Zentralasien des GFZ durchgeführt. Im Folgenden werden ausgewählte Ergebnisse der
Aktivitäten in Zentralasien zusammengefasst und zukünftige
Entwicklungen vorgestellt.
CAREMON – seismisches Netzwerk
Im Rahmen des CASCADE-Projekts hat das GFZ gemeinsam mit
InWEnt (Internationale Weiterbildung und Entwicklung gGmbH
in Berlin) eine Kooperation zwischen den zentralasiatischen
Ländern initiiert. Diese ermöglichte erstmals auf diesem Gebiet
einen engen Kontakt und interdisziplinären Austausch der Ministerien, Institutionen und Universitäten der teilnehmenden
Länder und damit eine Basis für die Installation eines neuen
regionalen sowie zwischenstaatlichen seismischen Netzwerks.
Das bereits installierte Central-Asian Real-Time Earthquake
Monitoring Network (CAREMON) setzt sich aus sechs digitalen
seismischen Stationen zusammen, die sowohl mit Breitbandals auch mit Bodenbeschleunigungssensoren (Abb. 1) ausgestattet sind. Die Echtzeit-Kommunikation wird entweder über
eine Satellitenverbindung oder über eine Internetverbindung
gewährleistet. Die Stationen wurden in Kasachstan (Podgornoe
und Ortau), Kirgistan (Talas und Sufy-Kurgan), Turkmenistan
(Ashgabat) und in Tajikistan (Djerino) installiert (Abb. 2). Eine
weitere Station in Taschkent (Usbekistan) ist in Vorbereitung.
Gemeinsam mit den seismischen Stationen wurde die am
GFZ entwickelte SeisComp3-Software im Datenzentrum des
jeweiligen Partners installiert. Die Software ermöglicht es, den
kontinuierlichen Datenstrom aller Stationen zu empfangen, zu
analysieren und zu archivieren. Außerdem ist das Netzwerk in
das Echtzeit-Streaming von globalen Netzwerken (z. B. IRIS und
GEOFON) eingebunden und berücksichtigt weitere Stationen in
Zentralasien (z. B. Kabul, Afganistan).
Die digitalen Daten dieses Netzwerks ermöglichen eine bessere Lokalisierung der seismischen Aktivität in der Region und
tragen so zu einer Vervollständigung der Erdbebenkataloge
bei, die für eine fundierte seismische Gefährdungsanalyse auf
regionalem Maßstab erforderlich sind.
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Abb. 1: Karte der CAREMON-Stationsstandorte und der Kommunikationssysteme. Die blauen Dreiecke stellen die seismischen Stationen im
Gelände (Remote-Stationen) dar. Blaue Linien: Satellitenverbindung zwischen der Remote-Station und dem Datenverteiler in Almaty (Kasachstan); rote Linien: Internetverbindungen zwischen dem Verteiler und den Datenzentren in den verschiedenen Ländern. Wegen Beschränkungen
der Satellitenkommunikation in Turkmenistan erfolgt die Kommunikation zwischen der Remote-Station in Ashgabat und dem Datenverteiler im
Gegensatz zu den anderen Stationen über eine Internetverbindung.
Fig. 1: Map showing the station locations and describing the chosen communication system. The blue triangles represent the remote stations.
The blue lines represent the satellite link between the remote stations and the hub in Almaty (Kazakhstan); the red lines indicate the internet
connections among the hub and the data centres installed in different countries. Differently from the others, the communication from Ashgabat
station and the hub is performed via internet due to restrictive rules in Turkmenistan about satellite communication.
Evaluierung der seismischen Gefährdung
Für die Mikrozonierung der Hauptstädte Zentralasiens wurden
innerhalb des CASCADE-Projekts und des GCO-CA-Programms
zunächst zwei Orte ausgewählt, Bischkek und Taschkent. In
naher Zukunft sollen auch Untersuchungen in Almaty durchgeführt werden. Die Geräte, die Software und das technische
Know-how hierfür wurden dem dortigen seismologischen Institut überlassen, um die Mikrozonierung in allen weiteren
Hauptstädten durchführen und anschließend die Ergebnisse
vergleichend analysieren und auswerten zu können.
Für die Untersuchung von Standorteffekten in Bischkek wurde von
August bis Dezember 2008 ein zusätzliches temporäres Netzwerk
mit 19 seismologischen Stationen im Stadtgebiet installiert. Die
Analyse der Aufzeichnungen von 56 Beben und von fast 200 Messungen des seismischen Rauschens (Parolai 2010a) ermöglichte es,
die räumlichen Unterschiede für das Auftreten von Standorteffekten
in der Stadt abzuschätzen und eine Karte der Resonanzfrequenz
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des Untergrundes zu erstellen (Abb. 3). Man erkennt auf dieser
Karte, bei welcher Frequenz die Bodenbewegung im Fall eines Erdbebens verstärkt wird. Stimmen die Frequenzen des Untergrunds
mit der Eigenfrequenz der Gebäude überein, ist es sehr wahrscheinlich, dass im Fall eines Erdbebens Schäden auftreten werden.
Der Abschätzung von Standorteffekten liegt die Bestimmung der
Spektralverhältnisse einerseits zwischen der horizontalen und der
vertikalen Seismometerkomponente und andererseits hinsichtlich
einer Referenzstation, die nahe der Stadt am nordwestlichen Rand
des Tian Shan-Gebirges installiert wurde, zugrunde.
Mit diesen Ergebnissen der Mikrozonierung lassen sich die seismische Gefährdungsabschätzung und die Risikovorsorge erheblich verbessern (Bindi et al., 2010a). Hervorzuheben ist dabei,
dass mit Unterstützung des Global Change-Observatoriums
Zentralasien im Rahmen der Mikrozonierung von Bischkek ein
neues, drahtloses seismisches Messsystem entwickelt wurde,
das vor allem für Messungen des seismischen Rauschens in
dicht besiedelten Gebieten geeignet ist (Picozzi et al., 2010).
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Abb. 2: Links: Seismische Station in Ashgabat als Beispiel einer Installation. Rechts: Spektraldichte des seismischen Rauschens (in Farbe) gegenüber dem Minimal- und Maximalmodell von Peterson
Fig. 2: Left: Example of installation: the Ashkabat station. Right: Power Spectral Density of seismic noise (in color) versus the Minimum and
Maximum Noise Model of Peterson
Seismische Vulnerabilität
Innerhalb des CASCADE-Projekts wurden in Zusammenarbeit
mit dem Karlsruher Institut für Technologie KIT Daten zur seismischen Vulnerabilität der Gebäude in den unterschiedlichen
Staaten zusammengetragen. Gemeinsam mit lokalen Partnern
vor Ort konnte hierbei eine Harmonisierung der Vulnerabilitätsklassifizierung nach EMS-98 erreicht werden. Die bisher
verwendeten lokalen Klassifizierungen unterscheiden sich
teilweise sehr stark. Die Ad-hoc-Klassifizierung auf der Basis
eines einheitlichen Verfahrens wird als ein nächstes Ziel angestrebt. In naher Zukunft sollen erste Schritte in diese Richtung
unternommen werden. Um das enorme Wachstum der Städte
adäquat zu berücksichtigen, sollen zukünftig satelliten- und
bodenbasierte Fernerkundungsmethoden kombiniert werden.
Die Daten sollen in zukünftige Kooperationen mit weiteren
lokalen Partnern für eine verbesserte Abschätzung des seismischen Risikos in Zentralasien einfließen.
Eine erste Abschätzung der Qualität der Risikoszenarien auf
Grundlage der gesammelten Daten wurde von Bindi et al.
2010a für Bischkek durchgeführt und belegt, dass geologische
Standorteffekte maßgeblich für die räumliche Verteilung der
Schäden an Infrastrukturen verantwortlich sind.
Folgerungen und Ausblick
Erste Erdbebenrisikoabschätzungen mit verbesserten Eingabedaten auf Stadtebene wurden bereits für verschiedene
Städte Zentralasiens durchgeführt. Die hier vorgestellten Erdbebenrisikoszenarien für Zentralasien sollen zukünftig weiter
optimiert werden. Insbesondere die seismischen Kataloge,
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d. h. die historisch und instrumentell aufgezeichnete Seismizität, sollen räumlich und zeitlich vervollständigt werden.
Wegen fehlender Aufzeichnungen starker Bodenbewegungen
konnten beispielsweise ortsspezifische Gleichungen für die
Vorhersage der Bodenbewegung in der Vergangenheit nicht
berechnet werden. Die Installation eines grenzüberschreitenden CASCADE-Netzwerks wird auf lange Sicht zur Lösung
dieses Problems beitragen. Kurzfristige Abhilfe könnten numerische Simulationen (unter Verwendung der wenigen verfügbaren Datensätze) schaffen, wozu entsprechende Untersuchungen geplant sind. Aktuelle Karten der seismischen Gefährdung
Zentralasiens werden derzeit erstellt.
Das Auftreten von Standorteffekten und die damit im Fall eines
Erdbebens zu erwartenden größeren Schäden und Verluste in
Bischkek stellen deutlich die Wichtigkeit seismischer Untersuchungen für weitere große Städte in Zentralasien heraus.
Denn nur über ein besseres Verständnis der Bodenbewegung
während starker Erschütterungen kann die Risikoabschätzung
optimiert werden. Zu diesem Zweck sollen mit Unterstützung
des Global Change-Observatoriums Zentralasien mehrere Bodenbeschleunigungsmessgeräte für einen vertikalen Array
in Bischkek installiert werden; erste Erfahrungen mit einer
solchen Versuchsanordnung wurden bereits bei ähnlichen Experimenten erfolgreich für die Metropole Istanbul gesammelt
(Parolai et al., 2009; Parolai et al., 2010b; Bindi et al., 2010b).
Die Messgeräte sollen bis in eine Tiefe von 150 m unter der
Erdoberfläche installiert werden, um das Verhalten des Untergrunds während des letzten Teils der Wellenausbreitung zu beobachten. Auch nichtlineare Effekte können mit einer solchen
Versuchsanordnung erkannt und ihre Ursachen analysiert werden. Ebenso können die geotechnischen Eigenschaften des
Untergrunds vor Ort abgeschätzt werden. Die aufgezeichneten
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Abb. 3: Resonanzfrequenz des Untergrunds für Bischkek (Kirgistan). Die Ergebnisse beruhen auf Messungen des seismischen Rauschens im
Stadtgebiet und der Umgebung.
Fig. 3: Map of the fundamental frequency of resonance estimated from noise measurements for the area around Bishkek (Kyrgyzstan).
Abb. 4: Stadtentwicklung von Bischkek (Kirgistan) im Zeitraum von 1977 bis 2009. Die Daten basieren auf der Analyse von Landsat MSS und TM-Bildern.
Fig. 4: Map of the urban growth of Bishkek (Kyrgyzstan) from 1977 to 2009. Based on multitemporal change detection analysis of Landsat MSS
and TM images.
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Daten können über das Internet in Echtzeit zum GFZ und zum
Zentralasiatischen Institut für angewandte Geowissenschaften
(ZAIAG) übertragen werden. Die Analyse und der Vergleich der
im Gelände und im nahegelegenen ZAIAG aufgezeichneten
Daten ermöglicht außerdem, Wechselwirkungen zwischen den
Gebäuden und dem Untergrund sowie das genaue Verhalten
der Gebäude während eines Bebens vollständig zu erfassen.
Es ist zudem vorgesehen, für die Region Zentralasien an der
zur Installation des vertikalen Array nötigen Bohrung einen
Forschungsstandort einzurichten, an dem Verfahren der angewandten Geophysik getestet und weiterentwickelt werden
können. Ein weiteres Vorhaben ist die Aktualisierung der
Vulnerabilitätsdatensätze für Bischkek. Nach amtlichen Schätzungen soll die Anzahl der Gebäude in Bischkek seit der letzten Volkszählung im Jahr 2000 um rund 20 % gestiegen sein.
Diesem enormen Wachstum kann nur mit neuen, schnellen
Verfahren zur Abschätzung der Vulnerabilität Rechnung getragen werden. Abb. 4 zeigt den Ansatz des GFZ, Veränderungen
der Siedlungsstruktur in Bischkek mit Satellitenbildern zu
erfassen und auszuwerten. Da Satellitenbilder allein jedoch
nicht alle notwendigen Informationen für eine verlässliche
Abschätzung der seismischen Vulnerabilität liefern können,
wird ein erweiterter Ansatz entwickelt, dem eine gleichzeitige
Analyse von Satellitenbildern und Panoramakameraaufnahmen zugrunde liegt. Erste Studien werden hierzu bereits in
Bischkek durchgeführt.
Zusammenfassend lässt sich feststellen, dass verlässliche
seismische Risikoszenarien für Zentralasien erfolgreich entwickelt werden konnten. Weitere Untersuchungen sollen die
Ergebnisse aus Standortstudien zu einem großräumigen Gesamtbild zusammenfügen und damit auch die Qualität der
Befunde weiter verbessern. Insbesondere ist eine noch intensivere fachübergreifende Zusammenarbeit von Experten der
Seismologie, Geophysik, Geographie und von Bauingenieuren
erforderlich, um verlässliche Ergebnisse zu erhalten, wie der
in CASCADE verwendete Ansatz eindrucksvoll und erfolgreich
belegt.
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